【软考中级网络工程师】知识点之堆叠

目录

• 一、堆叠技术基础
• • [1.1 堆叠的概念](#1.1 堆叠的概念)
  • [1.2 与级联的区别](#1.2 与级联的区别)
• 二、堆叠的原理
• • [2.1 堆叠协议](#2.1 堆叠协议)
  • [2.2 堆叠系统的工作机制](#2.2 堆叠系统的工作机制)
• 三、堆叠的优势与劣势
• • [3.1 优势分析](#3.1 优势分析)
  • [3.2 劣势探讨](#3.2 劣势探讨)
• 四、堆叠的应用场景
• • [4.1 企业园区网络](#4.1 企业园区网络)
  • [4.2 数据中心网络](#4.2 数据中心网络)
• 五、堆叠的配置与实践（以华为设备为例）
• • [5.1 配置前的准备工作](#5.1 配置前的准备工作)
  • [5.2 具体配置步骤](#5.2 具体配置步骤)
  • [5.3 配置验证与故障排除](#5.3 配置验证与故障排除)
• 六、软考中堆叠相关真题解析
• • [6.1 选择题解析](#6.1 选择题解析)
  • [6.2 案例题分析](#6.2 案例题分析)
• 七、总结与展望

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一、堆叠技术基础

1.1 堆叠的概念

在软考中级网络工程师的知识体系中，堆叠是一种将多台交换机组合成一个逻辑单元的技术。通过堆叠线缆或模块 ，多台交换机紧密相连，它们在逻辑上可视为一台交换机进行管理和运作。这种组合方式使得多台交换机能够共享背板带宽，从而提供更高的连接速度和更大的端口密度。例如，在一个企业网络中，随着接入设备数量的增加，单一交换机的端口数量无法满足需求，此时就可以通过堆叠技术将多台交换机组合在一起，形成一个强大的交换系统，不仅端口数量增加，而且整体性能也得到提升，为网络中的设备提供更高效的数据传输服务。

1.2 与级联的区别

为了更直观地理解堆叠和级联的差异，下面绘制简单拓扑图来展示：

从连接方式上看，堆叠需要使用特殊的堆叠线缆，这些线缆专门用于交换机之间的高速连接，以确保数据能够快速、稳定地在交换机之间传输；而级联则只需要普通的网线即可，通过交换机的普通端口进行连接，连接方式更为简便，但在数据传输速度和稳定性上相对较弱。

在带宽方面，堆叠的交换机之间可以共享背板带宽。比如一台交换机的背板带宽为 2G，若 3 台交换机堆叠，每台交换机在交换时理论上就有 6G 的背板带宽，这使得数据传输速度快，能够满足高负载网络环境的需求；而级联的交换机之间数据传输速度慢，因为级联时交换机之间的数据传输受到级联端口带宽的限制，如两个百兆交换机通过一根双绞线级联，则级联带宽为百兆，在网络负载较重时，容易出现数据传输瓶颈。

管理便利性上，堆叠的交换机可以共享配置信息，它们在逻辑上被视为一个整体，共享一个 IP 地址和管理界面，管理员可以对堆叠单元内的所有交换机进行统一的配置和管理，大大简化了网络管理的复杂度；而级联的交换机需要单独管理，每台交换机都有独立的 IP 地址和配置界面，在设备数量较多时，管理工作变得相对复杂。

二、堆叠的原理

2.1 堆叠协议

常见的堆叠协议有华为的 iStack、华三的 IRF（Intelligent Resilient Framework）、思科的 StackWise 等。以华为 iStack 为例，它实现多台设备协同工作的原理基于设备间的通信和信息交互 。在 iStack 堆叠中，成员交换机之间通过专用的堆叠线缆连接，形成一个高速、可靠的通信链路。当一台新的交换机加入堆叠时，它会通过堆叠链路向已在堆叠中的设备发送握手信息，已有的设备会对新设备进行身份验证和兼容性检查 。通过交互堆叠优先级、MAC 地址等信息，选举出主交换机，主交换机负责管理整个堆叠系统，包括配置的下发、拓扑信息的维护等。

华三的 IRF 也是类似的原理，它通过 IRF 物理端口将多台设备连接在一起，各设备之间运行 IRF 协议。在这个过程中，设备会进行角色选举，选举出的 Master 设备负责管理整个 IRF 系统，Slave 设备作为备份并参与业务处理。设备之间通过 IRF 协议同步配置信息、链路状态等，确保整个堆叠系统的一致性和稳定性。

2.2 堆叠系统的工作机制

在数据转发方面，当一个数据包进入堆叠系统中的某台交换机时，该交换机会根据自身的 MAC 地址表和堆叠系统的转发表项判断数据包的转发路径。如果目的设备连接在本台交换机上，则直接转发；如果目的设备连接在堆叠中的其他交换机上，那么数据包会通过堆叠链路转发到对应的交换机，再由该交换机转发给目的设备。状态图表示如下：

配置同步是堆叠系统的重要功能。当管理员在主交换机上进行配置更改时，这些配置信息会通过堆叠链路迅速同步到其他成员交换机。比如设置 VLAN、端口速率等配置，主交换机将配置信息封装成特定的同步报文，发送给其他成员交换机，成员交换机接收并解析报文后，将配置应用到自身，从而保证整个堆叠系统配置的一致性。

在设备选举方面，以华为交换机堆叠为例，在堆叠系统初始化或有新设备加入时会进行主交换机选举。选举规则首先比较设备的运行状态，已经运行的设备比处于启动状态的设备优先竞争为主交换机；若运行状态相同，则比较堆叠优先级，优先级高的设备优先；若优先级也相同，再比较 MAC 地址，MAC 地址小的设备优先。选举出主交换机后，主交换机会收集拓扑信息并选举备交换机，其他设备作为从交换机加入堆叠，备交换机作为主交换机的备份，在主交换机故障时能迅速接替工作，确保堆叠系统的稳定运行。状态图展示设备选举过程如下：

三、堆叠的优势与劣势

3.1 优势分析

堆叠技术在网络构建中具有显著优势。在扩展端口数量方面，以某企业办公网络为例，该企业初期使用一台 24 口交换机，随着员工数量的增加和办公设备的增多，如打印机、电脑、IP 电话等接入设备数量远超 24 台，原交换机端口不足。通过堆叠技术，增加一台同型号交换机进行堆叠，端口数量直接翻倍，达到 48 口 ，轻松满足了企业不断增长的设备接入需求。

从简化组网和增加可靠性角度看，在一个园区网络中，若多台交换机未进行堆叠，各交换机独立工作，需要单独配置和管理，网络拓扑复杂，且一旦某台交换机出现故障，连接在该交换机上的设备将无法正常通信。而采用堆叠技术后，多台交换机虚拟成一台逻辑交换机，管理员只需对这台逻辑交换机进行统一配置和管理，大大简化了网络管理工作。同时，堆叠系统中的交换机相互备份，当一台交换机出现故障时，其他交换机会自动接管其工作，保障网络的正常运行。状态图表示故障接管过程如下：

堆叠还能提升系统处理能力和带宽。例如在数据中心网络中，数据流量巨大，对交换机的处理能力和带宽要求极高。通过堆叠多台高性能交换机，系统的背板带宽和包转发率大幅提升。假设单台交换机的背板带宽为 1Tbps，包转发率为 720Mpps，3 台交换机堆叠后，理论上系统背板带宽可达到 3Tbps，包转发率达到 2160Mpps ，能够快速处理大量的数据流量，确保数据的高效传输，满足数据中心业务的高并发需求。

3.2 劣势探讨

堆叠技术也存在一些不足之处。私有协议不兼容是一个突出问题，不同厂商如华为、华三、思科等都有各自的私有堆叠协议。在一些大型企业网络中，可能由于历史原因或采购策略，同时存在多个厂商的设备。若想对这些不同厂商的交换机进行堆叠以扩展网络，由于私有协议的不兼容性，无法实现直接堆叠，这在一定程度上限制了网络设备的灵活组合和扩展。

跨厂商限制也是实际应用中面临的问题。在金融行业的网络中，出于安全性和稳定性考虑，通常会采用多厂商设备共存的方式，以避免单一厂商设备带来的潜在风险。但由于堆叠技术的跨厂商限制，无法利用堆叠技术来简化网络管理和提升网络性能，只能采用如 VRRP 等标准协议来实现部分功能替代，这在一定程度上增加了网络配置和管理的复杂性。

另外，堆叠通常需要单独购买堆叠线缆或光纤 。早期的堆叠技术依赖专用的堆叠线缆和接口，成本较高。虽然现在可以通过普通光纤实现堆叠，但仍需要额外投入采购光纤及相关连接设备的费用。对于一些预算有限的小型企业网络或项目，这可能会增加网络建设成本，成为采用堆叠技术的阻碍因素之一。

四、堆叠的应用场景

4.1 企业园区网络

在企业园区网络中，堆叠技术主要应用于核心层和汇聚层。核心层作为园区网络的高速交换中心，承担着大量的数据转发任务，对设备的性能、可靠性和端口密度要求极高。汇聚层则负责将接入层设备的数据汇聚起来，并转发到核心层。

以一个中型企业园区网络为例，绘制拓扑图如下：

在核心层，将两台高性能交换机进行堆叠，形成一个逻辑上的核心交换单元。这样做不仅增加了核心层的端口密度，满足大量汇聚层交换机的上联需求，而且提高了核心层的整体性能和可靠性。当一台核心交换机出现故障时，另一台交换机会自动接管其工作，确保园区网络核心业务的连续性。例如，企业的办公自动化系统、邮件服务器等关键业务的数据包都需要通过核心层进行高速转发，堆叠后的核心交换机能够快速处理这些数据流量，保障业务的正常运行。

在汇聚层，同样可以采用堆叠技术。如将两台汇聚交换机堆叠，它们可以共享配置信息，统一管理。当接入层交换机数量较多时，堆叠后的汇聚交换机能够提供更多的下联端口，实现对多个接入层交换机的数据汇聚。同时，由于堆叠技术的高可靠性，即使其中一台汇聚交换机发生故障，也不会影响整个汇聚层的数据传输，保证了园区网络中各个区域的数据能够稳定地汇聚到核心层。

4.2 数据中心网络

在数据中心网络中，堆叠技术发挥着关键作用，以满足高密度端口、高带宽和可靠性的严格需求。数据中心通常包含大量的服务器、存储设备和网络设备，它们之间需要进行高速、稳定的数据传输。

以某互联网公司的数据中心为例，服务器数量众多，且业务类型丰富，如在线视频、电商交易等，这些业务对网络带宽和可靠性要求极高。通过将多台高性能交换机进行堆叠，形成一个大规模的交换集群。从端口密度来看，堆叠后的交换机集群能够提供大量的端口，满足数据中心中大量服务器和存储设备的接入需求。例如，一台普通的 48 口交换机，若通过堆叠技术与其他多台交换机组合，可轻松扩展到数百个端口，为数据中心的设备连接提供了充足的接口资源 。

在高带宽方面，堆叠系统中的交换机共享背板带宽，数据在交换机之间能够快速传输。对于数据中心中频繁的大数据量传输，如服务器之间的数据同步、存储设备的读写操作等，堆叠技术能够提供高速的传输通道，确保数据能够及时、准确地传输，满足业务对高带宽的需求。例如，在线视频业务需要实时传输大量的视频数据，堆叠后的交换机能够保证视频流的稳定传输，避免出现卡顿、加载缓慢等问题。

可靠性是数据中心网络的关键。数据中心的业务通常要求 7×24 小时不间断运行，任何网络故障都可能导致巨大的经济损失。堆叠技术通过多台交换机之间的冗余备份机制，大大提高了网络的可靠性。当堆叠系统中的某台交换机出现故障时，其他交换机会迅速接管其工作，确保数据中心网络的正常运行。同时，堆叠系统还具备链路冗余功能，即使部分链路出现故障，数据也可以通过其他冗余链路进行传输，进一步增强了网络的可靠性。

五、堆叠的配置与实践（以华为设备为例）

5.1 配置前的准备工作

在进行华为设备的堆叠配置前，需要完成一系列准备工作。首先，要确保所有参与堆叠的交换机型号相同或属于同一堆叠系列且支持混堆，不同型号的交换机可能存在功能差异和兼容性问题，影响堆叠的正常组建和运行。同时，需检查设备的固件版本是否一致，若版本不同，可能导致堆叠功能异常，应提前在华为官网下载并升级到最新且兼容的版本。

其次，准备好专用的堆叠线缆。华为设备通常支持多种类型的堆叠线缆，如高速线缆、AOC 光线缆等，需根据设备型号和实际需求选择合适的线缆，并确保线缆的长度和质量满足要求 。例如，对于距离较近的交换机堆叠，可选用较短的高速线缆；对于距离较远的情况，则需采用 AOC 光线缆。

还需提前规划好堆叠成员 ID、堆叠优先级、堆叠域编号以及堆叠端口 。堆叠成员 ID 用于唯一标识堆叠系统中的每台交换机，一般从 1 开始顺序编号；堆叠优先级决定了设备在选举主交换机时的优先级，数值越大优先级越高，可根据实际需求为关键设备设置较高的优先级；堆叠域编号用于区分不同的堆叠系统，同一堆叠系统中的设备应具有相同的堆叠域编号；堆叠端口则需根据设备的端口布局和性能需求进行合理选择，通常建议选择高速端口作为堆叠端口，以保证堆叠链路的带宽和稳定性。

5.2 具体配置步骤

下面流程图展示华为设备堆叠配置的具体步骤：

• 物理连接：关闭所有参与堆叠的交换机电源，使用准备好的堆叠线缆，按照规划将各交换机的堆叠端口进行连接 。例如，将交换机 A 的堆叠端口 1 与交换机 B 的堆叠端口 1 相连，确保连接牢固。
• 设置成员 ID：通过 Console 口或其他管理方式登录到交换机，进入系统视图。使用命令 "stack member member-id renumber new-member-id" 来设置成员 ID，其中 "member-id" 为当前 ID，"new-member-id" 为要设置的新 ID 。如将成员 1 的 ID 设置为 2，命令为 "stack member 1 renumber 2"。
• 设置堆叠优先级：在系统视图下，使用命令 "stack member member-id priority priority-value" 设置堆叠优先级，"priority-value" 为优先级数值，范围通常为 1 - 255。例如，将成员 2 的优先级设置为 150，命令为 "stack member 2 priority 150"。
• 创建堆叠端口：进入系统视图，使用命令 "interface stack-port stack-port-number" 创建堆叠端口，"stack-port-number" 为堆叠端口编号 。如创建堆叠端口 1，命令为 "interface stack-port 1"。
• 加入物理端口到堆叠端口：在堆叠端口视图下，使用命令 "port member interface interface-type interface-number" 将物理端口加入到堆叠端口，"interface-type" 为物理端口类型，"interface-number" 为物理端口编号 。例如，将 10GE1/0/1 端口加入到堆叠端口 1，命令为 "port member interface 10ge1/0/1"。
• 连接堆叠线缆：完成上述配置后，再次检查堆叠线缆的连接是否正确，确保没有松动或连接错误。
• 保存配置并重启设备：在系统视图下，使用命令 "save" 保存配置，然后使用命令 "reboot" 重启交换机。重启过程中，交换机将自动进行堆叠组建，选举主交换机等操作。

5.3 配置验证与故障排除

配置完成后，需要验证堆叠配置是否成功。可通过命令行进行验证，执行命令 "display stack"，查看堆叠系统成员信息，如果显示所有成员交换机的信息，包括成员 ID、角色（Master、Standby、Slave）、MAC 地址、优先级和设备类型等，表示堆叠建立完成 。例如：

<HUAWEI>display stack
--------------------------------------------------------------------------------
MemberID Role     MAC              Priority   DeviceType         Description
--------------------------------------------------------------------------------
+1       Master   xxxx-9f31-d520   150        CE6881-48S6CQ
2       Standby  xxxx-9f62-1f40   100        CE6881-48S6CQ
3       Slave    xxxx-9f69-a391   100        CE6881-48S6CQ
--------------------------------------------------------------------------------
+ indicates the device through which the user logs in.

执行命令 "display stack peers"，查看堆叠系统的邻居信息，确认各成员交换机之间的连接关系是否正确；执行命令 "display stack port"，查看与逻辑堆叠端口绑定的物理成员端口的信息，确保物理端口已正确加入堆叠端口；执行命令 "display stack channel all"，查看堆叠链路的连线及状态信息，确保堆叠链路正常工作。

若堆叠配置失败，可从以下方面进行故障排查。检查设备型号和版本是否兼容，使用命令 "display device" 查看设备型号，确认这些设备彼此之间是否支持组建堆叠，若不支持，需更换设备；检查堆叠配置是否正确，使用命令 "display stack configuration" 检查堆叠配置是否符合要求，如堆叠域是否一致、安全认证口令是否一致等；检查堆叠连线是否正确，根据前期的规划和配置，检查堆叠连线是否与规划、配置的一致；检查堆叠连接端口是否 Up，使用命令 "display interface brief" 检查用于堆叠连接的端口的物理状态是否 Up，若物理状态为 Down，则检查光模块、光纤是否有问题，还可执行命令 "display stack-port link-state last-down-reason" 查看堆叠链路协议 Down 的原因。

六、软考中堆叠相关真题解析

6.1 选择题解析

在软考中级网络工程师考试中，经常会出现与堆叠相关的选择题，通过这些题目来考查考生对堆叠技术的理解和掌握程度。例如有这样一道真题：堆叠技术主要用于（ ）A. 提高网络带宽 B. 增强网络安全性 C. 简化网络拓扑 D. 降低网络成本 。这道题的正确答案是 A。解题思路在于理解堆叠技术的核心作用，堆叠技术通过将多台交换机组合成一个逻辑单元，使它们能够共享背板带宽，从而有效提高了网络设备之间的带宽，而增强网络安全性通常是防火墙、入侵检测系统等安全设备的功能；简化网络拓扑一般是通过合理的网络架构设计和一些网络技术如三层交换等实现，堆叠技术虽然在一定程度上可能简化管理，但并非主要用于简化拓扑；降低网络成本也不是堆叠技术的主要目的，堆叠可能还需要额外购买堆叠线缆等，增加一定成本。

再如：堆叠中的成员设备之间通过（ ）连接。A. 以太网链路 B. 光纤链路 C. 串口链路 D. 无线链路 。答案是 A，通常情况下，堆叠中的成员设备是通过以太网链路连接，虽然现在也可以使用光纤实现堆叠连接，但从普遍情况和常见的考试考点角度，以太网链路是更符合的选项。串口链路速度慢，主要用于设备的配置和管理等，不适合用于堆叠设备间的数据高速传输；无线链路稳定性和带宽有限，也不适合作为堆叠设备间的连接方式。

6.2 案例题分析

以某校园网升级改造案例题为例，题目给出校园网原有的网络拓扑结构，核心层使用两台独立的交换机，随着校园内用户数量的增加和网络应用的丰富，如在线教学平台的大规模使用、学生宿舍区网络设备的大量接入等，现有核心层交换机的端口密度和性能无法满足需求，需要进行升级改造。题目要求分析采用堆叠技术进行升级的可行性及具体实施步骤。

在分析可行性时，要考虑到堆叠技术可以增加端口数量，满足校园网不断增长的设备接入需求；同时，通过堆叠多台交换机，提升了系统的整体处理能力和带宽，能够应对如在线教学平台等高流量应用的需求；而且，堆叠后的交换机可作为一个逻辑设备进行管理，简化了网络管理工作，对于校园网的运维团队来说，降低了管理复杂度。

在具体实施步骤方面，首先要确认准备参与堆叠的交换机型号相同或属于同一堆叠系列且支持混堆，检查设备固件版本是否一致，若不一致需提前升级到最新且兼容的版本；然后准备好专用的堆叠线缆，根据校园网的实际布局和交换机位置选择合适长度和类型的线缆；接着规划好堆叠成员 ID、堆叠优先级、堆叠域编号以及堆叠端口 ，根据交换机在网络中的重要性和性能等因素合理设置优先级等参数；之后按照配置步骤，依次进行物理连接、设置成员 ID、设置堆叠优先级、创建堆叠端口、加入物理端口到堆叠端口、连接堆叠线缆以及保存配置并重启设备等操作；最后，通过命令行验证堆叠配置是否成功，如使用 "display stack" 等命令查看堆叠系统信息，确保堆叠系统正常运行，满足校园网升级改造的需求 。

七、总结与展望

堆叠技术作为软考中级网络工程师知识点中的重要内容，涵盖了丰富的原理、应用和实践知识。从基本概念来看，它与级联有着明显的区别，通过专用的连接方式和独特的协议，实现多台交换机的高效协同工作，为网络提供了更高的端口密度、带宽以及可靠性 。在原理层面，堆叠协议和工作机制确保了系统在数据转发、配置同步和设备选举等方面的稳定运行。

在实际应用中，堆叠技术在企业园区网络和数据中心网络等场景中发挥着关键作用，满足了不同网络环境对性能和可靠性的严格要求。通过华为设备的配置实践，我们掌握了堆叠配置的具体步骤和验证、故障排除方法，这些实践经验对于软考和实际网络工程都具有重要意义。从软考真题解析可以看出，堆叠技术相关知识点是考试的重点，需要考生深入理解和掌握。

展望未来，随着网络技术的不断发展，堆叠技术也将持续演进。一方面，厂商可能会进一步优化堆叠协议，提高协议的开放性和兼容性，降低跨厂商限制，使不同品牌的设备能够更方便地进行堆叠组合，为用户提供更多的选择和更灵活的网络构建方案。另一方面，在硬件方面，堆叠线缆和设备的成本可能会进一步降低，同时性能会不断提升，使得堆叠技术能够在更多的网络场景中得到应用，包括一些对成本敏感的小型企业和边缘网络等。此外，随着 5G、物联网等技术的发展，网络中的设备数量和数据流量将持续增长，堆叠技术将在满足这些新兴技术对网络性能和扩展性的需求方面发挥更加重要的作用，为构建更加高效、可靠的网络基础设施提供有力支持。